[發(fā)明專利]減小不平衡磁拉力的分?jǐn)?shù)槽SPMSM磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010065391.0
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111262409B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王慧敏;劉舒;郭麗艷;王志強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02K21/14
• 分類號: H02K21/14;H02K21/02;H02K1/27
• 代理公司: 北京思格頌知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11635
• 代理人: 楊超

本發(fā)明涉及一種減小不平衡磁拉力的分?jǐn)?shù)槽SPMSM磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括：確定電機(jī)的初始磁極結(jié)構(gòu)為90°平行充磁的等厚磁極結(jié)構(gòu)；提出電機(jī)的磁極改進(jìn)方案，采用改變充磁方向的不等厚磁極結(jié)構(gòu)；選擇Taguchi法為磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法：以原磁極的極弧系數(shù)即優(yōu)化變量A、磁極外圓弧圓心偏離電機(jī)圓心的距離即優(yōu)化變量B、充磁方向即優(yōu)化變量C以及不同的磁極形狀即即優(yōu)化變量D作為優(yōu)化變量，以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和不平衡磁拉力作為優(yōu)化目標(biāo)。本發(fā)明分析了各優(yōu)化變量變化對不平衡磁拉力、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及結(jié)果穩(wěn)健性的影響，對分?jǐn)?shù)槽SPMSM的磁極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠有效減小電機(jī)的不平衡磁拉力和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提升電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及減小不平衡磁拉力的分?jǐn)?shù)槽SPMSM(表貼式永磁同步電機(jī))磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可用于減小不平衡磁拉力的分?jǐn)?shù)槽SPMSM中各磁極結(jié)構(gòu)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

SPMSM具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中有著較為廣泛的應(yīng)用。使用分?jǐn)?shù)槽繞組可以減小齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性，并且能減少由齒槽轉(zhuǎn)矩引起的振動(dòng)，噪聲和控制困難。當(dāng)電機(jī)中存在磁場時(shí)，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生磁拉力，在分?jǐn)?shù)槽電機(jī)中，由于其每極每相槽數(shù)不為整數(shù)，使得不同極下各相繞組產(chǎn)生的磁場分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生周期性的不平衡磁拉力,不平衡磁拉力會(huì)引起噪聲和振動(dòng)，加劇軸承老化，在嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致定子-轉(zhuǎn)子接觸，對電機(jī)的壽命和性能具有重要的影響，因此降低分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)的不平衡磁拉力十分必要。

不平衡磁拉力主要是由氣隙磁密的相鄰次諧波作用產(chǎn)生的，當(dāng)電機(jī)沒有偏心時(shí)，氣隙磁密中相鄰次諧波不全為零時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不平衡磁拉力。永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的電磁力可分為徑向分量和切向分量，通過改變充磁方向?qū)庀洞琶軓较蚝颓邢蚍至吭O(shè)計(jì)為合理的值可以獲得較小的徑向電磁力密度，從而減小不平衡磁拉力。同時(shí)，SPMSM的磁極直接與氣隙相鄰，磁極的形狀將直接影響氣隙磁場分布，因此可以通過改變磁極形狀來減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、多變量、多目標(biāo)、多峰值的復(fù)雜數(shù)學(xué)問題，目前對電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行的優(yōu)化方法有許多，根據(jù)獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有效范圍，可以分為全局優(yōu)化及局部優(yōu)化。全局優(yōu)化，即在函數(shù)值空間的整個(gè)區(qū)域?qū)ふ易顑?yōu)解；局部優(yōu)化，即在函數(shù)值空間的一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)尋找最小值。雖然全局優(yōu)化使得到的最優(yōu)解在整個(gè)函數(shù)區(qū)域內(nèi)都有效，但目標(biāo)函數(shù)的確定過程十分復(fù)雜，且計(jì)算量大，耗時(shí)長，局部優(yōu)化雖然不能得到關(guān)于函數(shù)值空間中所有區(qū)域的總體最優(yōu)解，但其計(jì)算簡單，便于理解。

Taguchi法是一種能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的局部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)使得試驗(yàn)點(diǎn)均衡分散、整齊可比，能夠最大限度得減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約試驗(yàn)成本。目前Taguchi法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)領(lǐng)域中。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明公布了一種用于分?jǐn)?shù)槽SPMSM磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以減小電機(jī)的不平衡磁拉力，同時(shí)減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并保證所選方案有較好的穩(wěn)健性。本設(shè)計(jì)方法的核心是，基于不平衡磁拉力的計(jì)算表達(dá)式，明確磁密與不平衡磁拉力的關(guān)系，提出一種磁極結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，確定優(yōu)化變量，選擇合適的控制因素正交表及噪聲因素正交表利用Taguchi法進(jìn)行優(yōu)化，通過平均值分析及貢獻(xiàn)率分析，得到優(yōu)化后的各變量取值，即為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

一種減小不平衡磁拉力的分?jǐn)?shù)槽SPMSM磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括：

(1)確定電機(jī)的初始磁極結(jié)構(gòu)為90°平行充磁的等厚磁極結(jié)構(gòu)；

(2)提出電機(jī)的磁極改進(jìn)方案，采用改變充磁方向的不等厚磁極結(jié)構(gòu)；

(3)選擇Taguchi法為磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法：以原磁極的極弧系數(shù)即優(yōu)化變量A、磁極外圓弧圓心偏離電機(jī)圓心的距離即優(yōu)化變量B、充磁方向即優(yōu)化變量C以及不同的磁極形狀即即優(yōu)化變量D作為優(yōu)化變量，以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和不平衡磁拉力作為優(yōu)化目標(biāo)。

優(yōu)選地，步驟(3)進(jìn)行優(yōu)化的步驟如下：